高性能数控系统若干关键技术的研究

论文摘要

本论文结合具体科研项目,对高性能数控系统若干关键技术进行了系统和深入的研究,主要涉及:面向高速数控加工的柔性加减速控制方法;连续微段高速自适应前瞻插补方法;多轴运动轮廓误差补偿方法。在此基础上,对多坐标数控高速微细加工系统进行开发,建立了原型系统并结合实例对上述方法的有效性和实用性进行验证。第一章总结了数控技术的发展历程和趋势,详细分析了高性能数控系统若干关键技术的研究现状,最后给出本文研究意义及内容安排。第二章对面向高速数控加工的柔性加减速控制方法进行研究。在高速加工过程中,采用传统的直线和指数加减速法不能满足加速度的连续,因此会产生很大的冲击,影响零件加工质量和机床的使用寿命。为满足高速数控加工的要求,对柔性加减速控制方法进行了深入研究,并将其进行了实例验证。试验结果表明,三次多项式柔性加减速法综合性能较好,是一种值得推广的柔性加减速控制方法。第三章对连续微段高速自适应前瞻插补方法进行研究。目前,复杂型面的高速加工往往先由CAM软件粗插补生成微小直线段,再由数控系统的插补器对微段进行精插补。为保证加工精度,需在微段间进行加减速处理。如果在计算加减速区时使每段的始末速度均为零或某一固定数值,势必造成系统启停频繁、效率低下和加工质量差。为此,提出一种高速自适应前瞻插补方法,该方法的实现包括前瞻插补预处理和实时参数化插补两部分。插补预处理时,按轨迹转接点最高速度确定、减速点位置自适应前瞻确定和整体跨段转接点速度校核三个步骤建立连续微段的高速自适应前瞻控制策略。在此基础上,基于三次多项式柔性加减速和整体跨段参数化插补建立连续微段的实时插补算法。试验结果表明,该方法能实现连续微段间进给速度的高速衔接与高速加工时减速点位置的前瞻确定,从而缩短加工时间并提高加工效率。第四章研究了多轴运动轮廓误差补偿方法。在轮廓加工中,轮廓精度是重要的精度指标,而耦合轮廓控制能够在不改变各轴位置环的同时,有效地减小系统的轮廓误差。本章首先介绍了直线和圆弧的轮廓误差模型,然后分析了伺服系统的动态特性对轮廓误差的影响。针对复杂型面高精度数控加工的要求,提出了一种多轴运动轮廓误差补偿方法,该方法的实现包括多轴运动轮廓控制器的设计和多轴运动轮廓控制器的集成两个部分,最后结合实例对上述方法的有效性进行验证。仿真结果表明,该方法能有效的减小轮廓误差,提高系统的轮廓控制精度。第五章对多坐标数控高速微细加工原型系统进行开发。结合具体科研项目,对原型系统进行开发。本章首先对原型系统进行总体设计。在上位控制软件开发中,针对实时多任务调度问题,提出采用基于PC无扩展全软件的开放式体系结构,给出抢占式多任务动态调度策略。在硬件开发方面,自行设计了一种基于串行通信的多轴运动控制卡。最后,对开发的原型系统作了总体介绍并对前面几章的研究内容进行了加工试验。试验结果表明,本系统在柔性加减速控制方法、连续微段高速自适应前瞻插补方法、高精度定位控制算法等方面均获得较好的加工效果。第六章概括了全文的主要研究成果并指出论文还有待进一步完善的地方。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 数控技术的发展
• 1.1.1 数控技术的发展历程
• 1.1.1.1 硬件数控阶段（1952～1970年）
• 1.1.1.2 计算机数控系统的发展和完善阶段（1970～1986年）
• 1.1.1.3 高速高精度CNC的开发与应用阶段（1986～1994年）
• 1.1.1.4 基于PC的开放式CNC的开发与应用（1994～至今）
• 1.1.2 数控技术的发展趋势
• 1.1.2.1 性能上的发展趋势
• 1.1.2.2 功能上的发展趋势
• 1.1.2.3 体系结构上的发展趋势
• 1.2 开放体系结构数控系统的国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 高性能数控系统若干关键技术的研究现状
• 1.3.1 柔性加减速控制技术
• 1.3.2 连续微段前瞻插补技术
• 1.3.3 轮廓控制的误差补偿技术
• 1.4 本文研究工作的意义及主要内容
• 1.4.1 本文研究工作的意义
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 第2章 面向高速数控加工的柔性加减速控制方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 常用加减速控制方法
• 2.2.1 直线加减速法
• 2.2.2 指数加减速法
• 2.3 常用加减速控制方法存在的问题
• 2.4 柔性加减速控制方法
• 2.4.1 7段S曲线柔性加减速法
• 2.4.1.1 离散数学模型的建立
• 2.4.1.2 柔性加减速控制算法
• 2.4.2 三次多项式柔性加减速法
• 2.4.2.1 加减速控制模型的建立
• 2.4.2.2 离散数学模型的建立
• 2.4.2.3 柔性加减速控制算法
• 2.4.2.4 实例验证
• 2.4.3 五次多项式柔性加减速法
• 2.4.3.1 构造函数的建立
• 2.4.3.2 柔性加减速控制算法
• 2.5 柔性加减速法的试验结果与分析
• 2.6 本章小节
• 第3章 连续微段高速自适应前瞻插补方法研究
• 3.1 问题的提出
• 3.2 连续微段高速自适应前瞻插补方法
• 3.2.1 前瞻插补预处理
• 3.2.1.1 轨迹转接点最高速度确定
• 3.2.1.2 减速点位置自适应前瞻确定
• 3.2.1.3 整体跨段转接点速度校核
• 3.2.2 实时参数化插补
• 3.2.2.1 参数化轨迹数学模型
• 3.2.2.2 参数化轨迹插补原理
• 3.2.2.3 参数化插补算法建立
• 3.3 鞋模曲面实例及其结果分析
• 3.4 本章小节
• 第4章 多轴运动轮廓误差补偿方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 轮廓误差模型
• 4.2.1 轮廓误差的定义
• 4.2.2 直线和圆弧轮廓误差模型
• 4.3 伺服动态特性对轮廓误差的影响分析
• 4.4 多轴运动轮廓误差补偿方法
• 4.4.1 多轴运动轮廓控制器的设计
• 4.4.1.1 前馈控制器设计
• 4.4.1.2 PID型交叉耦合控制器设计
• 4.4.2 多轴运动轮廓控制器的集成
• 4.4.3 仿真结果与分析
• 4.5 本章小节
• 第5章 多坐标数控高速微细加工原型系统的开发与应用
• 5.1 项目背景
• 5.2 原型系统的总体设计
• 5.3 系统上位控制软件的开发
• 5.3.1 上位控制软件结构模型
• 5.3.2 实时多任务调度策略的研究
• 5.3.2.1 基于PC无扩展全软件的开放式体系结构
• 5.3.2.2 多任务运行调度策略
• 5.3.3 高精度定位控制算法的研究
• 5.4 下位多轴运动控制卡的设计
• 5.4.1 多轴运动控制卡的总体结构
• 5.4.2 硬件功能模块设计
• 5.4.2.1 矩形脉冲发生模块
• 5.4.2.2 脉冲信号输出模块
• 5.4.2.3 电压信号输出模块
• 5.4.2.4 电流信号输出模块
• 5.4.2.5 开关量输入模块
• 5.5 原型系统总体介绍
• 5.6 试验验证
• 5.7 本章小结
• 第6章 研究总结与展望
• 6.1 全文研究总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表和录用的论文及参加科研情况
• 致谢